KR20190095127A - 각속도 센서 - Google Patents

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KR20190095127A
KR20190095127A KR1020190011630A KR20190011630A KR20190095127A KR 20190095127 A KR20190095127 A KR 20190095127A KR 1020190011630 A KR1020190011630 A KR 1020190011630A KR 20190011630 A KR20190011630 A KR 20190011630A KR 20190095127 A KR20190095127 A KR 20190095127A
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케빈 타운센드
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애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
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Abstract

기판(406); 기판(406)에 고정된 가요성의 복수의 지지 구조체(404a, 404b); 기판(406)에 대해 탄성적으로 이동하도록 복수의 지지 구조체(404a, 404b)에 의해 가요성으로 지지되는 환형 부재(402); 및 공진 주파수(f1)로 1차 진동 모드에서 진동하도록 환형 부재(402)를 구동하도록 구성된 전기 구동 시스템을 포함하는 진동 구조의 각속도 센서(400)가 제공된다. 복수의 지지 구조체(404a, 404b)는 환형 부재(402)로부터 구동 시스템으로 능동 전기 접속을 가진 적어도 하나의 능동 지지 구조체(404a); 및 상기 환형 부재(402)로부터 상기 구동 시스템으로 능동 전기 접속을 가지지 않은 적어도 하나의 수동 지지 구조체(404b)를 포함한다.

Description

각속도 센서 {Angular Rate Sensors}
본 발명은 진동 구조용 자이로스코프 및 각속도 센서, 특히, 환형 공진기와 같은 진동 구조를 포함하는 코리올리-형(Coriolis-type) 각속도 센서에 관한 것이다.
많은 현대적 응용 분야에서, 진동 구조의 각속도 센서(자이로스코프라고도 함)는 유리 기판 층 사이에 개재된 실리콘 웨이퍼의 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술을 사용하여 구성된다. 전형적으로 링 구조를 포함하는 평면 링 공진기가 실리콘 층에 형성되고, 가요성 지지 구조에 의해 하부 기판 상에 지지된다. 환형 공진기는 1 차 진동 모드를 여기시키는 1 차 구동 트랜스듀서에 의해 공진시 1 차 진동 모드로 구동된다. 센서가 환형 공진기의 평면에 수직인 축을 중심으로 회전할 때 코리올리 힘이 생성되어 에너지가 2 차 진동 모드로 결합되어 이 모드에서 진동을 일으킨다. 이러한 환형 공진기의 코리올리 유도 운동이 측정 되어, 속도 센서에 의해 경험되는 각 운동의 속도를 계산하는데 사용된다. 링과 그 지지 구조체는 실리콘 층의 에칭에 의해 제조된 동일 평면 상에 있다. 동일한 주파수를 갖는 2 개의 축퇴 공진 모드를 이용함으로써, 환형 공진기는 평면 밖으로 벗어날 수 있는 진동기에 대해 단일 공진 모드를 사용하는 움직이는 동체 구조체에 비해 높은 회전 감도를 갖는다. 미국 특허 제 6,471,883 호는 실리콘으로 제조된 평면 링 진동 구조를 포함하는 그러한 각속도 센서의 예를 제공한다.
진동 구조의 각속도 센서에서, 컴플라이언트 또는 유연한 지지 구조(흔히 "레그"라고도 함)는 링의 진동을 구조의 나머지 부분과 분리하도록 설계된다. 전형적으로, cos 2θ 모드에서 면-내 진동하도록 구동되는 코리올리-형 센서에서 환형 공진기를 탄성적으로 지지하기 위해 8 개의 레그들이 사용된다.
유도 자이로스코프에서, 구동 트랜스듀서는 환형 공진기의 표면 상에 배치된 금속 트래킹(metal tracking)을 포함한다. 사용시 진동 전류는 구동 시스템에 의해 공급되어, 지지 레그의 표면 상에 놓인 더 많은 금속 트래킹을 통해 트랜스듀서를 따라 흐른다. 환형 공진기는 자기장을 받게되고, 금속 트래킹을 따라 흐르는 전류는 환형 공진기에 의해 겪게되는 힘을 일으킨다. 금속 트래킹을 세그먼트로 정확하게 위치시키고 각 세그먼트에 공급되는 전류를 주의 깊게 제어함으로써, 주어진 축을 따라 힘이 생성될 수 있고 환형 공진기는 원하는 1차 진동 모드(예: cos 2θ)로 진동하도록 구동된다.
금속 트래킹 장치는 또한 유도성 환형 공진기의 운동을 감지하는데 사용될 수 있다. 상기 환형 공진기의 표면 상에 배치된 금속 트래킹을 또한 포함하는 픽오프 트랜스듀서(Pickoff transducers)는 구동력으로 인해 자기장 내에서 이동하게 된다. 금속 트랙이 자기장 내에서 이동함에 따라 전류는 픽오프 트랜스듀서에서 유도되어, 지지 레그의 표면에 놓인 금속 트래킹을 통해 픽오프 시스템으로 흐른다. 픽오프 시스템은 환형 공진기의 움직임을 감지하기 위해 전류를 측정한다.
cos 2θ 모드에서 작동하도록 설계된 종래의 자이로스코프에서, 환형 공진기의 표면상의 금속 트래킹의 8개의 세그먼트는 2개씩의 세트로 그룹화되어 1차 구동 트랜스듀서 세트(0 ° 및 180 °에 위치됨), 1차 픽오프 트랜스듀서 세트(90 ° 및 270 °), 2차 구동 트랜스듀서 세트(45 ° 및 225 °) 및 2차 픽오프 트랜스듀서 세트(135 ° 및 315 °)를 형성할 수 있다. 이들은 cos 2θ 모드 모양과 일치하도록 정확하게 위치해야 한다. 전술한 바와 같이, 전자기적으로 능동화된(즉, 유도 성) 센서에서, 구동 트랜스듀서에는 전류가 공급되고, 픽오프 전류는 지지 레그의 표면 상에 놓인 금속 트래킹을 통해 픽오프 트랜스듀서로부터 전달된다. 그 결과 트랜스듀서의 위치와 지지 레그의 위치가 직접 연동된다.
1차 및 2차 진동 모드는 WO2013/136049에 개시된 바와 같이 레이저 밸런싱을 사용하여 링 내의 기하학적 불완전성을 보상하도록, 통상 사용 전에 주파수 균형을 이룬다. 이는 일반적으로 지지 레그에서 금속 트래킹을 통해 트랜스듀서에 밸런싱 장비를 연결하여 이루어진다. 밸런싱 장비는 1차 구동 트랜스듀서에 진동 전류를 제공함으로써, 그리고 1차 픽오프 트랜스듀서를 사용하여 결과 모션을 감지함으로써, 1차 축을 따라 공진 주파수를 결정한다. 2 차 트랜스듀서는 2 차 축을 따라 공진 주파수를 여기시키고 결정하는데 사용된다. 그런 다음 두 개의 주파수를 명목상 동일하게 만들기 위해 트랜스듀서 축에 대해 적절한 위치에서 재료를 제거하는 데 레이저가 사용된다. 일부 예에서, 밸런싱 후의 1 차 및 2 차 발진 모드의 공진 주파수 사이의 차이는 1 Hz 미만이고, 바람직하게는 0.5 Hz 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.1 Hz 미만이다.
그러나, 진동 구조의 각속도 센서(즉, 링 및 지지 레그)의 물리적 특성은 진동의 진폭이 증가함에 따라 1차1 및 2차 모드 모두에서 발진의 공진 주파수를 변화시킨다. 작은 진폭에서 공진 주파수는 일반적으로 일정하지만 진폭이 증가함에 따라 주파수가 비선형적으로 변하고 두 모드의 공진 주파수가 변한다. 정상 동작에서, 2차 발진 모드의 진폭은 전형적으로 1차 모드의 진폭보다 훨씬 낮기 때문에, 사용 전에 모드가 균형을 이루더라도, 동작 중에 주파수 분할이 발생한다. 예를 들어 14kHz의 일반적인 공진 주파수에서 작동하는 자이로스코프의 경우, 밸런싱 후에도 통상적인 ~ 1Hz의 잔류 불균형이 남아 있다. 지지 레그의 구성은 센서의 기하학적 비선형성에 영향을 미친다. 8 개의 지지 레그가 있는 경우, 주파수는 주로 진동 중 방사 및 접선 운동에 대한 레그의 입방 기하학적 비선형 거동 때문에 분할된다. 두 모드의 공진 주파수가 이러한 비선형 영역에서 더 이상 동일하지 않으므로 센서의 감도가 감소하고 측정시 노이즈가 증가한다. 결과적으로, 종래 기술에서 볼 수 있는 많은 전형적인 진동 구조 각속도 센서에서, 1차 및 2차 2 모드의 공진 주파수가 분리되어 측정에 영향을 주지 않도록 환형 공진기가 선형 영역에서만 발진도록 구동된다.
그러나, 이러한 비선형성으로 인한 주파수 분할은 특정 개수 의 지지 구조체(가령, cos 2θ 모드를 위한 16 쌍의 지지 레그)를 제공함으로써 다소 완화될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 그러나 주파수 분할을 완화하기 위해 필요한 수의 지지 구조체를 갖춘 속도 센서를 제조하고 구현하는 데는 상당한 어려움이 남아 있다.
본 발명은 진동 구조의 각속도 센서에 있어서,
기판;
상기 기판에 고정된 가요성의 복수의 지지 구조체;
상기 기판에 대해 탄성적으로 이동하도록 상기 복수의 지지 구조체에 의해 가요성으로 지지되는 환형 부재; 및
공진 주파수(f1)로 1차 진동 모드로 진동하도록 상기 환형 부재를 구동하도록 구성된 전기 구동 시스템을 포함하되,
상기 복수의 지지 구조체는,
상기 환형 부재로부터 상기 구동 시스템으로 능동 전기 연결을 가진 적어도 하나의 능동 지지 구조체; 및
상기 환형 부재로부터 상기 구동 시스템으로 능동 전기 접속을 가지지 않은 적어도 하나의 수동 지지 구조체를 포함한다.
당 업자가 알 수 있듯이, 이 개시에 따르면, 각도 공진기를 가요성으로 지지하기 위해 수동 및 능동 지지 구조체를 이용함으로써, 기존의 구성 요소, 공정 및 시험 설비를 이용하여 비선형성 효과가 감소된 각속도 센서를 제조 및 시험할 수 있다. 적어도 하나의 수동 지지 구조체를 사용하면 환형 부재에 대한 능동 전기 접속의 수를 반드시 변경하지 않고도 지지 구조체의 총 수를 보다 용이하고 유연하게 변화시킬 수 있다.
전기 구동 시스템은 당 업계에 공지된 임의의 적절한 구동 시스템, 예를 들어 용량성 또는 압전 구동 시스템을 포함할 수 있다. 그러나 바람직한 예에서, 전기 구동 시스템은 유도성 구동 시스템을 포함한다.
환형 부재로부터 구동 시스템으로의 능동 전기 연결은, 예를 들어 지지 구조체에 의해 지지되는, 그리고 구동 시스템에 전기적으로 연결되는, 전도성(가령, 금속) 트래킹과 같은 물리적 연결을 의미하며, 따라서, 전류가 구동 시스템으로부터 능동 지지 구조체를 따라 환형 부재까지 흐를 수 있다. 수동 지지 구조체는 환형 부재로부터 구동 시스템으로 능동 전기 연결을 지지하지 않는 구조체다. 지지 구조체에 의해 지지되지만 구동 시스템에 전기적으로 연결되는 것은 아닌 전도성(예를 들면, 금속성) 트래킹과 같은 물리적 연결이 여전히 있을 수 있다. 따라서, 구동 시스템으로부터 수동 지지 구조체를 따라 환형 부재로 전류가 흐를 수 없다. 능동 및 수동 지지 구조체는 동일한 물리적 형태를 취할 수 있지만, 구동 시스템에 전기적으로 접속되는 전기 접속부를 지니고 있는지의 여부에 관해서 상이하다.
하나 이상의 예에서, 각각의 능동 및/또는 수동 지지 구조체는 한 쌍의 각각의 능동 또는 수동 서브구조를 포함하며, 상기 서브구조체는 물리적으로는 분리되어 있지만, 둘 다 환형 부재의 원주 주위로 실질적으로 동일한 각도 위치를 갖는 지점에서 환형 부재와 접촉한다(예를 들어, 각각의 지지 구조체는 한 쌍의 미러 이미지 서브구조체를 포함할 수 있다). 그러한 예들이 아래에서 더 설명된다.
각속도 센서는 공진 주파수(f2)에서 2 차 진동 모드의 운동의 진폭을 결정하도록 배치된 픽오프(pick-off) 시스템을 포함하는 것이 바람직하며, 여기서 환형 부재의 진동은 각속도 센서가 받는 각속도로부터 나타나는 코리올리 힘에 의해 유도된다. 이러한 픽오프(pick-off) 시스템은 각속도 측정을 가능하게 한다(후술됨).
바람직하게는, 능동 및 수동 지지 구조체의 총 개수 p는 f1 = f2가 되도록 선택된다. f1 = f2가 되도록 지지 구조체의 총 개수 p를 선택하면, 환형 부재가 큰 운동 진폭을 갖는 1 차 모드에서 진동하더라도, 기하학적 비선형성은 1 차 및 2 차 진동 모드 사이에서 주파수 분할을 야기하지 않는다.
이는 환형 공진기가 큰 진폭에서 구동될 수 있게 하며, 복원력은 운동의 진폭과 비선형 관계를 갖는다. 이것은 유도된 2 차 모드 진동의 진폭이 더 크기 때문에 2 차 모드 진동 진폭의 측정에 대한 불확실성이 감소될 수 있음을 의미한다. 이것은 보다 민감한 각속도 센서의 생산을 가능하게 한다.
본 출원인은 능동 및 수동 지지 구조체를 제공함으로써, 센서의 상당한 부분을 재설계할 필요없이 f1 = f2가 되도록 지지 구조체의 총 개수 p를 선택할 수 있다는 것을 알게되었다.
1 차 및 2 차 모드의 공진 주파수는 더 큰 진폭으로 여전히 이동하지만, 실질적으로 동일한 양만큼 이동하여, 주파수가 분리되지 않고 각속도 센서에 의한 측정이 영향을 받지 않는다. 복수의 지지 구조체에서의 능동 및 수동 지지 구조체의 수 p는 센서의 작동 전체에 걸쳐 f1 = f2가 되도록 선택될 수 있다.
바람직하게는, 1 차 진동 모드는 cos nθ 모드이고, 2 차 진동 모드는 sin nθ 모드이며, n은 모드의 차수이고 임의의 양의 정수와 동일하다. 더욱 바람직하게는 1 차 진동 모드는 cos 2θ 모드(즉, 타원형)인데, 이는 cos 3θ 모드 및/또는 cos 4θ 모드를 포함할 수 있지만, 센서의 달성 가능한 신호대 잡음비를 최대화하기 때문이다. 2 차 진동 모드는 바람직하게는 sin2θ 모드이지만, sin3θ 또는 sin4θ 모드를 포함할 수 있다. 이들 예들 중 하나 이상에서, 환형 부재는 cosnθ 모드에서 평면내 진동하도록 구동된다.
몇몇 예시 세트에서, 능동 및 수동 지지 구조체의 총 개수(p)는 kn/p ≠ 정수이도록 선택되고, 이 때, k는 1 내지 6 사이의 정수이고, n은 1 차 진동 모드, 가령, cos nθ 모드의 차수이다.
전술한 바와 같이, 전기 구동 시스템은 유도성 구동 시스템일 수 있다. 환형 부재는 바람직하게는 적어도 하나의 트랜스듀서, 예를 들어 원주 둘레에 배치된 복수의 트랜스듀서를 포함한다. 복수의 트랜스듀서는 환형 부재의 원주 둘레에서 균일하게 이격될 수 있다. 일부 예에서, 적어도 하나의 능동 지지 구조체는 복수의 트랜스듀서 중 하나로부터 전기 구동 시스템으로의 능동 전기 접속을 가진다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 능동 지지 구조체는 상기 구동 시스템으로부터 상기 복수의 트랜스듀서 각각으로의 능동 전기 접속을 형성하도록 배열된 복수의 능동 지지 구조체를 포함한다. 구동 시스템과 복수의 트랜스듀서들 각각 사이의 능동 전기 접속은 능동적 지지 구조체 상에 배치된 도전성(가령, 금속) 트래킹을 포함할 수 있다. 능동 지지 구조체가 한 쌍의 능동 서브구조체를 포함하는 예에서, 각각의 능동 서브구조체는 구동 시스템과 복수의 트랜스듀서 중 하나 사이에 별도의 능동 전기 접속을 가질 수 있다. 한 쌍의 능동 서브구조체는 구동 시스템과 동일한 트랜스듀서 사이 또는 구동 시스템과 한 쌍의 인접한 트랜스듀서 사이에 한 쌍의 별도의 능동 전기 접속을 지닐 수 있다.
바람직한 예에서, 적어도 하나의 수동 지지 구조체는 임의의 트랜스듀서로부터 전기 구동 시스템으로 능동 전기 접속을 갖지 않는다. 적어도 하나의 수동 지지 구조체가 구동 시스템으로, 그리고 적어도 몇몇 실시예에서 트랜스듀서로, 전기 접속을 지지하지 않기 때문에, 수동 지지 구조체의 수 및 위치는 구동 시스템 및/또는 트랜스듀서의 설계 또는 위치를 현저히 변경할 필요없이 변경될 수 있어서, 설계 및 제조 비용을 절약할 수 있다.
전형적인 각속도 센서에서, 모든 구조가 구동 시스템과 환형 부재상의 트랜스듀서 사이의 전기 연결을 수행하는 데 사용된다는 점에서 각 지지 구조체는 "능동형"이다. 따라서, 지지 구조체의 총 개수 변경은, 트랜스듀서의 개수 및/또는 설계의 변경과, 구동 시스템에 대한 추가적인 전기 연결의 추가 가능성, 그리고, 센서 상의 다른 어디에서도 전기 연결의 레이아웃에 대한 변화 요구를 필요로하였다. 통상적으로, 기존 고부피 자동화 생산 설비가 이러한 센서 제조에 사용될 때, 이러한 재설계 공정은 값비싸고 시간이 많이 걸린다.
그러나, 본 출원인은 수동 및 능동 지지 구조체의 조합을 제공함으로써, 비선형 성을 완화시키기 위해 필요한 수의 지지 구조체가 제공됨을 보장하면서도 기존의 트랜스듀서 레이아웃 및 제조 방법이 이용될 수 있음을 인식하였다. 트랜스듀서 및 구동 시스템은 고정된 수, 설계 및/또는 위치의 능동 지지 구조체와 함께 사용되도록 설계될 수 있으며, 수동 지지 구조체의 개수 및/또는 위치는 센서의 다른 구성 요소를 재 설계할 필요없이 자유롭게 변경될 수 있다. 따라서, 능동 및 수동 지지 구조체의 총 수를 훨씬 더 쉽게 선택할 수 있습니다.
예를 들어, 고정된 수의 지지 구조체와 함께 사용하도록 설계된 기존의 구동 시스템은 본 명세서에 개시된 각속도 센서 내에서 중요한 변경없이 사용될 수 있지만, 센서는 발진기의 구동에 어떤 역할도 하지 않고 구동 시스템과 상호작용하지 않는 하나 이상의 수동 지지 구조체를 이용함으로써 지지 구조체 개수 요건을 여전히 충족시킨다. 수동 레그는 비선형성을 완화하기 위해 필요한 대칭이 충족되도록 보장하기 위한 추가 지원 지점을 제공하기만한다.
바람직한 예에서, 복수의 지지 구조체는 복수의 능동 지지 구조체 및 적어도 동등한 수의 수동 지지 구조체를 포함한다. 몇몇 예에서, 동일한 개수의 수동 및 능동 지지 구조체가 제공되며, 이는 환형 부재 둘레에서 번갈아 나타난다. 대안으로, 임의의 수의 수동 지지 구조체가 각각의 능동 지지 구조체 사이에 제공될 수 있다. 바람직하게는 각각의 능동 지지 구조체 사이에 동일한 개수의 수동 지지 구조체가 존재한다. 예를 들어, 각각의 능동 지지 구조체 사이에 하나, 둘, 또는 3개의 수동 지지 구조체가 존재한다. 수동 및 능동 지지 구조체들의 개수는 바람직하게는 1차 구동 트랜스듀서 및 구동 시스템과의 호환성을 유지하면서 지지 구조체들의 총 수에 대한 규칙들을 만족시키도록 선택된다.
비선형 성을 완화하기 위해 지지 구조체의 총 개수를 변경하는 것은 일반적인 각속도 센서의 기본 모양과 설계를 변경해야하기 때문에 추가적인 어려움이 있다. 예를 들어, 증가된 수의 지지 구조 및/또는 센서 레이아웃에 대한 요구된 변경을 위한 충분한 공간을 제공하는 것은 환형 부재 또는 전체 센서의 전체 치수를 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 환형 부재의 치수(예를 들어 반경)를 변경하는 것은 1 차 및 2 차 모드의 공진 주파수에 영향을 미치며, 이는 제어 전자 장치 및 다른 부품과의 호환성에 영향을 미친다. 더 큰 센서는 더 큰 공간을 필요로하지만, 예를 들어 각속도 센서 가까이 또는 주변에서 단단히 묶이도록 설계된 전체 시스템 구성 요소의 재설계 또는 재구성이 필요할 수도 있다. 또한, 재설계된 센서를 물리적으로 수용하거나 재설계된 센서 및/또는 증가된 수의 전자 연결과의 인터페이싱을 위해 장비의 테스트 및 밸런싱을 변경해야 한다.
그러나, 본 출원인은 특정 형태의 지지 구조체를 사용하여 전체 센서 크기를 유지하면서 주어진 크기의 환형 발진기를 지지하기 위해 더 많은 수의 지지 구조체가 제공될 수 있다는 것을 인식하였다.
통상적으로 본 기술 분야에서 볼 수 있는 각속도 센서에서, 지지 구조체의 형상은 환형 부재가 기판에 대해 탄력적으로 이동함으로써 진동할 수 있는데 필요한 가요성을 제공한다. 원주 부분에 의해 결합된 두 개의 각도 방향으로 오프셋된 방사상 부분을 포함하는 "도그-레그(dog-leg)" 형상이 종종 사용된다. 이러한 배치는 필수적인 유연성과 강도를 제공하지만, 상당한 각진 풋 프린트를 차지한다. 따라서, 본 개시의 일부 예에서, 복수의 지지 구조 중 하나 이상은 감소된 각 풋 프린트를 갖는다. 예를 들어, 하나 이상의 지지 구조체는 제 1 방사상 부분과 각도 정렬된 제 2 방사상 부분에 연결된 제 1 방사상 부분을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 방사상 부분들은 대체로 U 자형의 원 주부에 의해 연결될 수 있다. 지지 구조체가 서브구조체의 쌍들을 포함하는 예에서, 각각의 서브구조체는 제 1 방사상 부분과 각도 정렬된 제 2 방사상 부분에 연결된 제 1 방사상 부분을 포함할 수 있으며, 제 1 및 제 2 방사상 부분은 일반적으로 U 자형의 원 주부에 의해 연결된다. 또한, 서브구조들의 쌍이 미러 이미지 서브구조체인 예들에서, 대체로 U 자형의 원주 부분들은 제 1 및 제 2 방사상 부분에 평행한 선을 따라 미러 이미지로 형성될 수 있다.
바람직하게는 다수의 지지 구조체 각각의 유연성 정도 또는 실제로 강성이 동일하다. 따라서, 몇몇 세트의 예들에서, 적어도 하나의 수동 지지 구조의 형상 및 치수는 적어도 하나의 능동 지지 구조의 형상 및 치수와 동일하다. 금속 트래킹이 능동 지지 구조체 상에 배치되는 예에서, 지지 구조의 2 가지 유형의 물리적 특성이 가능한한 유사하다는 것을 보장하기 위해, 금속 트래킹이 수동 지지 구조체 상에 배치될 수도 있다. 그러한 예에서, 수동 지지 구조체상의 금속 트래킹은 물론 구동 시스템에 전기적으로 연결되지는 않는다. 대안으로, 수동 지지 구조에는 부분적으로 또는 전체적으로 금속 트래킹이 없을 수 있다.
전술한 바와 같이, 2 차 진동 모드의 운동의 진폭은 각속도 센서에 의해 경험되는 각속도에 직접적으로 연동된다. 따라서, 하나 이상의 예에서, 픽오프 시스템은 제 2 진동 모드의 운동의 결정된 진폭을 사용하여 각속도 센서에 의해 경험되는 각속도를 계산하도록 배열된다. 2 차 진동 모드의 결정된 진폭을 사용하는 각속도의 계산은 당업자에게 공지된 표준 기술이다.
2 차 모드 진동의 진폭은 2 차 모드 진동("개방 루프"시스템으로서 당업자에게 공지됨)의 진폭을 직접 측정함으로써 결정될 수 있다. 일부 예에서, 픽오프 시스템은 개방 루프에서 2 차 진동 모드의 운동 진폭을 직접 측정함으로써 각속도 센서에 의해 경험되는 각속도를 계산하도록 배열된다. 대안으로, 유도된 2 차 모드 진동의 진폭은 환형 공진기에 피드백 력을 가함으로써, 그리고 2 차 모드 진동을 없애는 데 필요한 피드백 력("폐쇄 루프"시스템)을 측정함으로써, 결정된다. 1차 구동 신호와 동일한 주파수에서 2차 운동을 폐회(nulling)시키는 2 차 구동 신호(폐 루프 동작)를 제공하는 것이 일반적이다. 2 차 구동 신호는 회전 속도의 척도다.
바람직하게는, 저 진폭에서의 1 차 및 2 차 모드의 공진 주파수는 실질적으로 동일하고, 가령, 14 kHz 이다. 일부 예에서, 1차 진동 모드와 2차 진동 모드의 공진 주파수 사이의 차이는 1Hz 미만이고, 바람직하게는 0.5Hz 미만이며, 더욱 바람직하게는 0.1Hz 미만이다. 이는 예를 들어 WO 2013/136049, EP 1775551, US 5739410 또는 GB 2460935에 개시된 바와 같은 임의의 적절한 밸런싱 기술의 도움으로 달성될 수 있다. 환형 공진기의 고유 감도(이러한 주파수 분할을 고려하지 않음)는 Q 인자 또는 선폭에 의해 특성화될 수 있고, 바람직하게는 공진 주파수 들간의 차이는 선폭의 0.1보다 크지 않다.
바람직하게는, 가요성 지지 구조체는 기판에 대해 임의의 방향으로 자유롭게 진동할 수 있도록 환형 부재를 가요성으로 지지한다. 복수의 지지 구조체는 임의의 적절한 배치로 기판에 고정될 수 있다. 지지 구조체는 환형 부재의 반경 방향 내측 또는 외측으로 연장될 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 복수의 지지 구조체는 환형 부재 내부의 중앙 지지부에서 기판에 고정된다.
일부 예에서, 지지 구조체는 기판과 일체로 형성된다. 부가적으로 또는 대안으로, 지지 구조체는 환형 부재와 일체로 형성된다. 기판, 환형 부재 및 지지 구조체는 바람직하게는 동일한 재료로 제조되며, 더욱 바람직한 경우, 깊은 반응성 이온 에칭(DRIE)과 같은, 당 업계에 공지된 기술을 사용하여 단일 실리콘 웨이퍼로 구성된다.
몇몇 세트의 예에서, 지지 구조체(능동 및 수동 모두)는 환형 부재의 원주(예를 들어, 내부 둘레 또는 외부 둘레) 주위에서 등각으로 이격된다. 지지 구조체가 서브구조체의 쌍들을 포함하는 경우, 바람직하게는 각각의 쌍의 서브구조체가 환형 부재와 접촉하는 지점은 환형 부재의 원주 둘레로 등각으로 이격된다. 많은 예들에서, 2 차 진동 모드는 1 차 진동 모드로부터 각도 φ만큼 오프셋되고, 환형 공진기가 각도 오프셋 φ 내에서 정수 개의 지지 구조체에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 이는 예를 들어, 지지 구조체와의 일치에 의해 1차 및 2차 모드의 앤티노드에서 구동 및 픽오프 시스템 전극의 위치 설정이 방해받는 것을 방지한다. 1 차 및 2 차 모드의 앤티노드에서 구동 및 픽오프 전극을 위치시키는 것은 각속도 센서의 감도를 증가시킬뿐만 아니라, 보다 안정된 배열을 제공할 수 있다(1 차 및 2 차 모드가 각각 단일 구동 트랜스듀서 쌍과 정렬되기 때문임).
바람직하게는, 지지 구조체의 총 수(즉, 능동 및 수동)는 kn/p ≠ 정수를 만족하는 p의 최저 값으로 선택되고, 정수개의 지지 구조체를 1차 및 2차 모드의 각도 오프셋 φ 내에서 등각으로 위치하게 한다. 다수의 지지 구조를 갖는 센서는 제조하기가 더 어려울 수 있고, 센서의 비용을 증가시킬 수 있지만, 보다 중요하게는지지 구조의 수가 증가하면 환형 공진기의 "강성"이 증가하여 1차 및/또는 2 차 진동 모드의 공진 주파수를 변화시키게 된다.
1 차 진동 모드가 cos 2θ 모드인 예에서, 2 차 진동 모드는 1 차 모드에서 45 ° 오프셋된 sin 2θ 모드이다. n = 2 인 이들 실시예에서, 지지 구조의 총 개수 p는 p = 16 + 8 ×(m-1)이 되도록 선택되는 것이 바람직하고, 여기서 m은 양의 정수, 가령, m = 1, 2, 3, 등이다. 예를 들어, 16 개의 지지 구조체 또는 24 개의 지지 구조체는 주파수 분할을 방지하면서 정수 개의 지지 구조가 1 차 및 2 차 모드 사이의 45 ° 오프셋 내에 위치함을 또한 보장한다. 1 차 발진 모드가 cos 2θ 모드 인 16 개의 지지 구조체를 포함하는 예에서, 센서는 능동 및 수동 지지 구조가 환형 부재 둘레로 번갈아 위치하도록 배치되도록, 8 개의 수동 지지 구조체(예를 들어 8 쌍의 수동 서브구조체) 및 8 개의 능동 지지 구조체(예를 들어 8 쌍의 능동 서브구조체 구조체)를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 예에서, 센서는 각각의 각각의 능동 지지 구조체 사이에 2 개의 수동 구조체가 있도록 배치된, 16 개의 수동 지지 구조체 및 8 개의 능동 지지 구조체를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 예에서, 센서는 8 쌍의 수동 서브구조체, 즉 16 개의 수동 서브구조체를 포함하는 8개의 수동 지지 구조체와, 8 쌍의 능동 서브구조체, 즉 16 개의 능동 서브구조체를 포함하는 8 개의 능동 지지 구조체를 포함하며, 이러한 능동 및 수동 지지 구조체는 환형 부재 주위로 교번하여 배치된다. 이 예에서, 환형 부재와 지지 서브구조체 사이에 총 32 개의 서브구조체와 16 개의 접점이 있다. 상술한 바와 같이, 16 개의 접촉점은 환형 부재의 원주 둘레로 등각으로 이격될 수 있다.
1 차 발진 모드가 cos 3θ 모드 인 예에서, 2 차 발진 모드는 1 차 모드에서 30 ° 오프셋된 sin 3θ 모드다. n = 3 인 이러한 예에서, 지지 구조의 개수 p는 p = 24 + 12 ×(m-1)(여기서, m은 양의 정수임)가 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 24 개의 지지 구조 또는 36 개의 지지 구조가 선택되어 정수 개의 지지 구조가 1 차 및 2 차 모드 사이의 30 ° 오프셋 내에 위치하도록 보장할 수 있다. 1 차 진동 모드가 cos 3θ 모드 인 24 개의 지지 구조를 포함하는 예에서, 센서는 바람직하게 12 개의 수동 지지 구조 및 12 개의 능동 지지 구조(예를 들어, 1 차 구동, 1 차 픽오프, 2 차 구동 및 2차 픽오프 각각에 대해 3개씩)는 각각의 능동 지지 구조체 사이에 하나의 수동 구조가 존재하도록 배치된다.
1 차 발진 모드가 cos 4θ 모드 인 예에서, 2 차 발진 모드는 1 차 모드에서 22.5 ° 오프셋된 sin 4θ 모드다. n = 4 인 이러한 예에서, 지지 구조의 개수 p는 p = 32 + 16 ×(m-1)(여기서, m은 양의 정수임)가 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 32 개의 지지 구조 또는 48 개의 지지 구조가 선택되어, 정수 개의 지지 구조가 1 차 및 2 차 모드 사이의 22.5 ° 오프셋 내에 위치하도록 보장할 수 있다. 1 차 진동 모드가 cos 4θ 모드 인 32 개의 지지 구조를 포함하는 예에서, 센서는 16 개의 수동 지지 구조 및 16 개의 능동 지지 구조(예를 들어, 1 차 구동, 1 차 픽오프, 2 차 구동 및 2차 픽오프 각각에 대해 4개씩)는 각각의 능동 지지 구조체 사이에 하나의 수동 구조가 존재하도록 위치된다.
바람직하게는, 환형 부재는 링을 포함하지만, 이는 임의의 대체로 환형의 형상, 예를 들어 8 각형을 포함할 수 있다. 예를 들어, cos 2θ 1 차 진동 모드의 경우, 구조체는 1 차 및 2 차 모드가 퇴화된 상태로 유지되도록 적어도 8θ 대칭을 가져야 한다.
본 개시는 속도 통합 자이로스코프에도 적용 가능하다.
본 발명은 기판, 상기 기판에 고정된 가요성의 복수의 지지 구조체, 및 상기 복수의 지지 구조체에 의해 탄력적으로 지지되어 기판에 대해 탄성적으로 이동하도록 구성된 환형 부재를 포함하는 진동 구조의 각속도 센서의 제조 방법으로 확장되며, 상기 방법은, 상기 복수의 지지 구조체의 총 개수를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 지지 구조체의 총 개수는, 환형 부재로부터 구동 시스템까지의 능동 전기 연결을 가진 적어도 하나의 능동 지지 구조체와, 환형 부재로부터 구동 시스템까지의 능동 전기 연결을 가지지 않은 적어도 하나의 수동 지지 구조체를 포함한다.
이러한 방법은 주기적인 구동력을 상기 환형 부재에 인가하여, 복수의 기지 구조체로부터 복원력을 생성하는 모션의 진폭으로 공진 주파수 f1에서 1차 발진 모드로, 환형 부재가 사용시 발진하도록, 환형 부재에 주기적 구동력을 인가함으로써, 그리고, 환형 부재의 발진이 각속도 센서에 의해 경험되는 각속도로부터 발원하는 코리올리력에 의해 유도되도록, 공진 주파수 f2에서 2차 진동 모드의 모션 진폭을 결정함으로써(이 경우 복원력은 사용시 모션 진폭과 비선형 관계를 가지며), 사용시 f1=f2이도록 복수의 지지 구조체 내 지지 구조체의 수 p를 선택함으로써, 동작되도록 센서를 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 임의의 실시예의 특징은, 적절한 경우, 진동 구조의 각속도 센서를 제조하는 개시된 방법에 적용될 수 있다. 다른 예 또는 일련의 예를 언급할 때, 이들이 반드시 구별되는 것은 아니지만 중첩될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 개시는 또한 개시된 방법에 따라 제조된 진동 구조 각속도 센서에 추가로 확장된다.
하나 이상의 비 제한적인 실시예가 이제 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 기술될 것이다:
도 1은 유도형 진동 구조 각속도 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 전형적인 진동 구조 각속도 센서의 평면도다.
도 3a 및 3b는 환형 공진기에서 1 차(3a) Cos 2θ 및 2 차(3b) Sin 2θ 진동 모드를 도식적으로 도시한다
도 4는 본 발명에 따른 진동 구조의 각속도 센서의 평면도다.
도 5는 종래 기술에서 볼 수 있는 전형적인 지지 구조의 형상을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지지 구조체의 형상을 도시한다.
도 7은 완전한 각속도 센서 시스템의 예를 보여준다.
도 1은 유도형 진동 구조 각속도 센서(100)의 개략적인 단면도이다. 기판은 지지 유리 층(104), 하부 극(106), 자석(108) 및 상부 극(110)을 포함하는 구성요소들의 스택이 놓이는 기저부(102)를 포함한다. 받침대(pedestal)(112)가 하부 극(106) 주변의 지지 글래스층(104) 상에 내려앉아, 실리콘 기판 또는 다이(114)를 지지한다. 평탄한 환형 부재(또는 "링")(202)가 복수의 기지 구조(204)에 의해 가요성으로 지지되고, 각각의 지지 구조체는 일 단부가 실리콘 다이(114)에 고정되도록 한 쌍의 미러 이미지 레그를 포함한다. 링(202)은 상부 폴(110)과 하부 폴(106) 사이에 놓이도록 배치되고, 유도성 구동 시스템은 사용 중 주기적 구동력을 가한다. 자석(108)이 링(202) 영역에 수직 자기장을 생성하고 진동 전류가 링(202)에 의해 보유된 금속 트랙을 따라 접선 방향으로 인가될 때, 링(202)은 1 차 Cos 2θ 모드에서 반경 방향으로 발진하게 된다. WO 2010/007406은 금속 트랙이 링(202)의 상부 표면상의 절연 표면 산화물 층 위에서 그 지지 구조체(204)를 따라 전형적으로 어떻게 제공되는지에 대한 더 상세한 설명을 제공하며, 각각의 금속 트랙은 단일 구동 또는 픽오프 트랜스듀서와 연계된다.
도 2는 유도성 진동 구조의 각속도 센서(100)의 단면도이다. 평면 환형 부재(202)는 8 개의 지지 구조체(204)에 의해 가요성으로 지지되고, 각각은 한 쌍의 미러 이미지 레그를 포함하며, 이들은 환형 부재(202) 주위로 등각도로 배열되고 기판(206)에 연결된다. 환형 부재(202)는 환형 부재(202)의 표면 상에 배치된 금속 트래킹을 포함하는 8 개의 트랜스듀서 세그먼트(208)를 포함한다. 트랜스듀서 세그먼트(208)는 그 중심이 센서(100)의 중심에서 그려진 도면에 의해 표시되는 바와 같이 1 차 및 2 차 Cos 2θ 모드 발진의 노드와 정렬되도록 위치한다. 복수의 본드 패드(209)가 기판(206) 상에 위치되고, 각 트랜스듀서 세그먼트(208)는 각각의 지지 구조(204)의 표면 상에 배치된 금속 트래킹(도시되지 않음)을 통해 한 쌍의 본드 패드(209)에 연결되어, 8 개의 트랜스듀서 회로를 형성할 수 있다.
트랜스듀서 회로 각각은 제 1 본드 패드(209)로부터 제 1지지 구조체(204)의 레그를 따라 트랜스듀서 세그먼트(208)의 단부까지 이어져있다. 각각의 회로는 트랜스듀서 세그먼트(208)를 따라 계속되고 제 2지지 구조체(204)의 레그를 따라 제 2 본드 패드(209)로 되돌아온다. 아래 설명되는 바와 같이, 이들 회로는 환형 부재(202)를 진동시켜 환형 부재(202)의 진동을 감지하는 데 사용된다. 도 2에서 각지지 구조체(204)의 레그는 단순한 선으로 보여지며, 금속 트래킹과 밑에 있는 실리콘 다이 사이에는 구별이 없다. 그러나, 실제로는, 금속 트래킹은 기판(206) 상의 트래킹 및 트랜스듀서 세그먼트(208)에서처럼, 각각의 지지 구조체(204)의 표면 상에 배치된다. 이는도 5에서 보다 명확하게 볼 수 있다.
형성된 8 개의 트랜스듀서 회로 중, 2 개는 1 차 cos2θ 모드(도 2 및 도 3a의 중앙에 개략적으로 도시됨)의 노드와 정렬된 1 차 구동기 회로(210a, 210b)이고, 두 개는 2 차 cos2θ 모드(도 3b에 개략적으로 도시 됨)의 노드와 정렬된 2 차 구동기 회로(212a, 212b)이며, 두 개는 1 차 cos2θ 모드의 노드와 정렬된 1차 픽오프 회로(214a, 214b)이고, 2 개는 2 차 cos2θ 모드의 노드와 정렬된 2차 픽오프 회로(216a, 216b)이다.
제조 중에, 센서(100)는 레이저 밸런싱이라고 불리는 프로세스를 거친다. 밸런싱 시스템(도시되지 않음)은 1차 구동 회로(210a, 210b)에 진동 전류를 인가하여 1차 cosnθ 모드로 진동하도록 환형 부재를 구동시킨다. 1차 픽오프 회로(214a, b)는 이 발진을 감지하여 1차 cos2θ 모드의 실제 공진 주파수를 결정하는데 사용된다.
밸런싱 시스템은 2차측 구동 회로(212a, b)에 진동 전류를 개별적으로 인가하고, 2차측 cos2θ 모드의 공진 주파수를 결정하기 위해 2차측 픽오프 회로(216a, b)를 사용하여 운동을 검출한다.
2개의 모드의 균형을 맞추기 위해(즉, 그들의 공진 주파수를 동일하게 하기 위해), 밸런싱 시스템은 각 모드의 공진 주파수를 조정하기 위해 환형 부재(202)로부터 재료를 선택적으로 제거하는 레이저를 또한 포함한다. 밸런싱 절차가 완료되면, 두 모드 간의 주파수 차이(또는 "스플리팅")는 일반적으로 14kHz 발진기의 경우 1Hz 미만이다.
통상적인 종래 기술 사용에서, 각속도 센서(100)는 구동 시스템(도시되지 않음)을 사용하여 구동된다. 본드 패드(209)는 구동 시스템에 연결되고, 이러한 구동 시스템으로부터 진동 전류가 전술한 바와 같이 1차 구동기 회로(210a, 201b)에 공급된다. 이는 환형 부재(202)의 상이한 섹션들이 주기적인 방사형 로렌츠 힘을 받게 하여, 각도 부재가 평면내 1 차 cos2θ 모드로 진동하게 한다.
센서(100)가 환형 부재(202)가 놓인 평면에 수직인 축을 중심으로 1 차 모드 진동 동안 회전을 겪을 때, 코리올리 효과는 1 차 진동 모드로부터 45 ° 오프셋된 2 차 sin2θ 모드에서 진동을 유도한다(도 3b에 도식적으로 도시됨). 2 차 모드 진동의 진폭은 1 차 모드 진동의 진폭 및 회전 속도에 따라 달라진다.
전술한 바와 같이, 각각의 지지 구조체(204)는 트랜스듀서 세그먼트(208)로부터 구동 시스템으로의 전기 접속을 가지거나, 달리 말하면 "능동적인" 지지 구조체를 포함한다.
개방 루프 동작에서, 유도된 2차 모드 발진의 진폭은 2 차 픽오프 회로(216a, b)에 연결된 픽오프 시스템(도시되지 않음)에 의해 감지되고, 센서(100)에 의해 경험되는 각 속도는 감지된 2 차 진폭으로부터 연산된다. 폐 루프 동작에서, 픽오프 시스템은 2차 구동 회로(212a, b)를 사용하여 널 힘(nulling force)을 인가하여, 2차 모드에서의 발진을 무효로한다. 2 차 진동을 없애기 위해 필요한 힘의 크기는 각속도를 계산하는 데 사용된다. 도 7은 구동 및 픽오프 시스템을 포함한, 완전한 각도 센서 시스템의 예를 도시한다.
높은 진폭의 진동에서, 예를 들어. 일차 모드에서, 환형 부재(202)는 지지 구조체(204)로부터의 비선형 복원력을 받아, 환형 부재(202)의 공진 주파수에서의 시프트를 일으킨다. 일차(구동) 및 이차(유도) 발진 모드의 발진 진폭이 다르기 때문에, 1차 및 2차 모드에서 공진 주파수의 상이한 변화가 나타난다. 이 주파수 분할은 발진기가 사용 전에 레이저 밸런싱되는 경우에도 노이즈 증가 및 감도 저하를 일으킨다.
도 4는 본 발명의 일례에 따른 진동 구조의 각속도 센서(400)를 도시하는데, 여기서 비선형성으로 인한 주파수 분할은 능동 및 수동 지지 구조체 모두를 제공함으로써 완화된다.
각속도 센서(400)는 이 예에서 링 형태인 평면 환형 부재(402)를 포함한다. 환형 부재(402)는 8 개의 능동 지지 구조체(404a) 및 8 개의 수동 지지 구조체(404b)에 의해 유연하게 지지된다. 능동 및 수동 지지 구조체들(404a, 404b) 각각은 미러 이미지 레그 형태의 한 쌍의 각각의 능동 또는 수동 서브구조(sub-structures)를 포함한다. 능동 및 수동 지지 구조체(404a, 404b)는 환형 부재(402) 둘레에 등각도로 이격되고 교번 유형(즉 능동적 또는 수동적)이다. 능동 및 수동 지지 구조체(404a, 404b)는 일 단부에서 외부 지지 프레임(406)에, 그리고, 다른 단부에서 환형 부재(402) 상의 접촉점에, 물리적으로 연결되며, 각각의 지지 구조체(404a, 404b)를 구성하는 미러 이미지 레그 둘 모두는 가령, 환형 부재(402)의 원주 주위로, 실질적으로 동일한 각도로, 환형 부재(402)와 접촉한다. 환형 부재(402)가 가요성으로 지지된다는 것은, 능동 및 수동 지지 구조체(404a, 404b)가 환형 부재(402)를 발진시키도록 힘을 줄 수 있어서, 가령, 기판(406)에 대해 동평면 내에서 탄성적으로 움직일 수 있게 함을 의미한다.
환형 부재(402)는 환형 부재(402)의 표면 상에 배치된 금속 트래킹을 포함하는 8 개의 트랜스듀서 세그먼트(408)를 포함한다. 트랜스듀서 세그먼트(408)는, 센서(400)의 중심에 그려진 도식에서 표시되는 바와 같이, 그 중심이 1 차 및 2 차 cos2θ 모드 진동의 노드와 정렬되도록 위치된다. 복수의 본드 패드(409)가 지지 프레임(406) 상에 위치되고, 각각의 트랜스듀서 세그먼트(408)는 능동 지지 구조체(404a)를 구성하는 능동 미러 이미지 레그 각각의 표면 상에 배치된 금속 트래킹을 통해 한 쌍의 복수의 본드 패드(409)에 전기적으로 연결된다. 이것은 8 개의 능동 전기 연결을 형성한다. 각각의 트랜스듀서 세그먼트(408)는 하나의 능동 지지 구조체(404a)로부터 다음 능동 지지 구조체(404a)까지 연장되고, 이들 사이에 수동 수동 지지 구조체(404b)가 걸쳐있다. 수동 지지 구조체(404b)는 또한 용이하게 제조하기 위해 금속 트래킹을 지닐 수 있지만, 트랜스듀서 세그먼트(408) 또는 본드 패드(409) 중 어디에도 전기적으로 연결되지 않는다.
도 2에 도시되고 전술한 각속도 센서(100)와 유사하게, 제 1 능동 지지 구조체의 레그를 따라 제 1 본드 패드(409)로부터 트랜스듀서 세그먼트(408)의 제 1 단부까지 전기 접속이 존재하여, 트랜스듀서 세그먼트(408)를 따라 제 2 단부로 이어져, 제 2 능동 지지 구조체의 레그를 따라 제 2 본드 패드로 복귀할 수 있다. 제 1 및 제 2 본드 패드는 쌍으로 배열되며, 각각의 트랜스듀서 세그먼트(408)에 대해 하나의 쌍으로 배열된다. 각 쌍의 본드 패드는 구동 시스템에 능동적 전기 연결을 제공한다. 종래 기술의 센서(100)에서와 같이, 이들 전기 접속은 환형 부재(402)를 진동으로 구동시키고 또한 환형 부재(402)의 진동을 감지하는 데 사용될 수 있다.
형성된 8 개의 능동 전기 접속 중, 2 개는 1 차 cos2θ 모드의 노드(도 4 및 도 3a의 중앙에 도식적으로 도시 됨)와 정렬된 1 차 구동기 회로(410a, 410b)이고, 2 개는 2 차 cos2θ 모드(도 3b에 개략적으로 도시 됨)의 노드와 정렬된 2 차 구동기 회로(412a, 412b)이며, 2 개는 1 차 cos2θ 모드의 노드와 정렬된 1 차 픽오프 회로(414a, 414b)이고, 2 개는 2 차 cos2θ 모드의 노드와 정렬된 2 차 픽오프 회로(416a, 416b)이다.
트랜스듀서 세그먼트(408)의 각도 위치는 도 2에 도시된 종래 기술의 각 속도 센서(100)에 도시된 것과 동일하다는 것이 강조된다. 따라서, 각속도 센서(400)의 동작은 종래 기술의 각 속도 센서(100)의 경우와 유사하다. 전술한 바와 같이, 센서(400)는, 1 차 및 2 차 cos2θ 모드의 공진 주파수를 일치시키도록, 사용 전에 레이저 밸런싱될 수 있다.
사용시, 1차 구동기 회로(410a, 410b) 및 관련된 능동 지지 구조체(404a)를 통해 트랜스듀서 세그먼트(408)에 진동 전류/전압이 전기 구동 시스템(도시되지 않음)에 의해 제공된다. 이로써 환형 부재(402)는 1 차 cos2θ 모드로 진동하게 된다.
센서(400)가 환형 부재(402)가 놓여있는 평면에 수직인 축선을 중심으로 1 차 cos2θ 모드로 진동하면서 회전할 때, 코리올리 효과는 (도 3b에 개략적으로 도시 된) 1 차 cos 2θ 진동 모드로부터 45도 오프셋된 2 차 sin2θ 모드에서 진동을 유도한다. 개-루프 작동에서, 픽오프 시스템(미도시)은 2 차 픽오프 회로(416a, 416b)를 사용하여 이 유도된 진동의 진폭을 직접 감지하고 회전의 각속도를 계산한다. 폐-루프 동작에서, 픽오프 시스템(미도시)은 2 차 구동기 회로(412a, 412b)를 사용하여 이 유도된 진동의 진폭을 간접적으로 감지하고, 모션 무효화(null)를 위해 인가된 전류/전압에 따라, 회전 각속도를 계산한다. 도 7은 전기 구동 및 픽오프 시스템을 포함하는 완전한 각속도 센서 시스템의 예를 도시한다.
전술한 바와 같이, 센서(400)의 동작은 종래 기술의 센서(100)의 동작과 매우 유사하다. 그러나, 16 개의 (능동 및 수동) 지지 구조체(404a, 404b)의 제공으로 인해, 1 차 모드와 2 차 모드 사이의 주파수 분할은 완화되어, 센서의 감도가 증가한다.
환형 부재(402)는 기존의 제조 및 시험 설비와의 호환성을 가능하게 하기 위해 종래 기술의 환형 부재(102)와 동일한 형상 및 치수를 갖는다. 그러나, (이 경우에는 16 인) 주파수 분할을 완화시키고자 필요한 수의 지지 구조체(404a, 404b)를 제공하기 위해, 지지 구조체(404a, 404b) 각각은 감소된 각도 풋프린트를 갖는 특정 형상을 포함한다.
지지 구조체의 바람직한 형상은 2 개의 지지 구조체, 즉 능동 지지 구조체(404a) 및 인접한 수동 지지 구조체(404b)의 확대도를 도시하는 도 6에 세부적으로 도시되며, 각각의 지지 구조체(404a, 404b)는 한 쌍의 미러 이미지 레그를 포함한다. 각각의 미러 이미지 레그는 "U"자 모양의 원주부(606)에 의해 제 2 방사상 부분(604)에 연결된 제 1 방사상 부분(602)을 포함한다. 제 1 및 제 2 방사상 부분(602, 604)은 각도 정렬되어, 지지 구조체(404a, 404b) 각각의 각도(A)가 도 5에 도시된 종래 기술의 지지 구조체(204)의 대략 절반이다.
이러한 특정 형상은 2개의 지지 구조체(404a, 404b)(2쌍의 미러 이미지 레그)가 종래 기술의 지지 구조체(204)(한쌍의 미러 이미지 레그) 중 단지 하나와 동일한 물리적 영역을 차지하게 하고, 그러면서도, 유효한 작동에 필요한 지지체 및 가요성을 제공할 수 있다. 지지 구조체의 각도 범위의 직접적인 비교를 허용하기 위해, 도 6은 도 5와 비교하여 작은 양만큼 각도가 오프셋되어 있다. 실제로, 트랜스듀서 세그먼트는 종래 기술 및 현재 개시 센서 모두에서, 도 5 및 도 6에 B로 표시된 각도 위치 선으로 표시된 방돠 같이, 동일 위치에 있다.
도 7은 완전한 각속도 센서 시스템(700)을 도시하는 블록도이다. 센서 시스템(700)은 2 개의 1 차 구동 트랜스듀서, 2 개의 1 차 픽오프 트랜스듀서, 2 개의 2 차 구동기 트랜스듀서 및 2 개의 2 차 픽오프 트랜스듀서로 구성된 8 개의 트랜스듀서(704)를 포함하는 환형 공진기(702)를 포함한다. 1차 구동 트랜스듀서는 진폭 제어 루프(708) 및 주파수 제어 루프(710)를 포함하는 1차 제어 루프(706)에 연결된다.
사용시에, 1차 제어 루프(706)는 전술한 바와 같이 1 차측 cos 2θ 진동 모드에서 공진기를 공진 구동하기 위해 1차 구동 트랜스듀서에 진동 전류/전압을 제공하는 전기 구동 시스템으로서 작용한다. 제 1 제어 루프(706)는 또한 제 1 제어 루프에 피드백을 제공하고 발진 전류/전압이 공진기의 공진 주파수에서 전달되는 것을 보장하기 위해 1차 픽오프 트랜스듀서에 연결된다.
2차 구동 및 픽오프 트랜스듀서는 2차 제어 루프(712)에 연결되며, 2차 제어 루프(712)는 소정의 각속도의 회전을 경험하는 센서 시스템(700)에 의해 발생된 2차 cos2θ 모드 진동의 진폭을 결정하도록 작동가능한 폐-루프 픽오프 시스템으로 작용한다. 이는 유도된 2 차 모드 발진을 없애기 위해 2 차 구동 트랜스듀서에 발진 전류/전압을 인이함으로써 달성된다. 2차 픽오프 트랜스듀서는 2차 제어 루프(712)에 피드백을 제공하여, 요구되는 정확한 널 힘이\만이 인가됨을 보장할 수 있다. 그 후, 유도된 2 차 발진을 완전히 없애기 위해 인가 되어야하는 발진 전류/전압의 양을 이용하여, 유도된 2 차 모드 발진의 진폭을 결정할 수 있고, 따라서 환형 공진기(702)에 의해 경험되는 각속도를 결정할 수 있다.

Claims (15)

  1. 진동 구조의 각속도 센서에 있어서,
    기판;
    상기 기판에 고정된 가요성의 복수의 지지 구조체;
    상기 기판에 대해 탄성적으로 이동하도록 상기 다수의 지지 구조체에 의해 가요성으로 지지되는 환형 부재; 및
    공진 주파수(f1)로 1차 진동 모드로 진동하도록 상기 환형 부재를 구동하도록 구성된 전기 구동 시스템을 포함하되,
    상기 복수의 지지 구조체는,
    상기 환형 부재로부터 상기 구동 시스템으로 능동 전기 연결을 가진 적어도 하나의 능동 지지 구조체; 및
    상기 환형 부재로부터 상기 구동 시스템으로 능동 전기 접속을 가지지 않은 적어도 하나의 수동 지지 구조체를 포함하는,
    진동 구조의 각속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 공진 주파수 f2에서 2 차 진동 모드의 운동의 진폭을 결정하도록 배치된 픽오프(pick-off) 시스템을 더 포함하는 진동 구조의 각속도 센서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 능동 및 수동 지지 구조체의 총 개수(p)는 f1 = f2가 되도록 선택되는, 진동 구조의 각속도 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1 차 진동 모드는 cos nθ 모드이고, 상기 2 차 진동 모드는 sin nθ 모드이며, n은 모드의 차수이고, 임의의 양의 정수인, 진동 구조의 각속도 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 능동 및 수동 지지 구조체의 총 개수 p는 kn/p ≠ 정수가 되도록 선택되며, 이 때, k는 1 내지 6 사이의 정수이고, n은 1 차 진동 모드의 차수인, 진동 구조의 각속도 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 부재는 원주 둘레에 배치된 복수의 트랜스듀서를 포함하는, 진동 구조의 각속도 센서.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 능동 지지 구조체는 상기 구동 시스템으로부터 상기 복수의 트랜스듀서들 각각으로의 능동 전기 접속을 형성하도록 배치된 복수의 능동 지지 구조체를 포함하는, 진동 구조의 각속도 센서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 구동 시스템과 상기 복수의 트랜스듀서 각각 사이의 상기 능동 전기 접속은 상기 능동 지지 구조체 상에 배치된 전도성 트래킹을 포함하는, 진동 구조의 각속도 센서.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조체들 중 하나 이상은 제 1 방사상 부분과 각도 정렬된 제 2 방사상 부분에 연결된 제 1 방사상 부분을 포함하고, 상기 제 1 방사상 부분과 제 2 방사상 부분은 U자형 원주부에 의해 연결되는, 진동 구조의 각속도 센서.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수동 지지 구조체의 형상과 치수 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 능동 지지 구조체의 형상과 치수 중 적어도 하나와 동일한, 진동 구조의 각속도 센서.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 능동 및 수동 지지 구조체는 상기 환형 부재의 원주 둘레에서 등각으로 이격되어 있은, 진동 구조의 각속도 센서.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 능동 및 수동 지지 구조체 중 적어도 하나는 한 쌍의 각각의 능동 또는 수동 서브구조체를 포함하고, 상기 서브구조체는 물리적으로는 분리되어 있으나, 환형 부재의 원주 둘레에서 실질적으로 동일한 각도 위치를 가진 지점에서 환형 부재와 접촉하는, 진동 구조의 각속도 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 능동 및 수동 지지 구조체는 각각의 능동 지지 구조체가 환형 부재의 원주부 주위로 수동 지지 구조체와 교번하여 놓이도록 배열되는, 진동 구조의 각속도 센서.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 능동 및 수동 지지 구조체의 총수는, kn/p ≠ 정수를 만족하는 p의 최저 값이도록, 그리고, 1차 및 2차 진동 모드의 각도 오프셋 φ 내에서 등각으로 정수 개의 능동 및 수동 지지 구조체를 위치시키도록, 선택되는, 진동 구조의 각속도 센서.
  15. 진동 구조의 각속도 센서의 제조 방법에 있어서,
    상기 각속도 센서는 기판과, 상기 기판에 고정된 가요성의 복수의 지지 구조체와, 상기 기판에 대해 탄성적으로 이동하도록 상기 복수의 지지 구조체에 의해 가요성으로 지지되는 환형 부재를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 복수의 지지 구조체의 총 개수를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 지지 구조체의 총 개수는,
    환형 부재로부터 구동 시스템까지의 능동 전기 연결을 가진 적어도 하나의 능동 지지 구조체와,
    환형 부재로부터 구동 시스템까지의 능동 전기 연결을 가지지 않은 적어도 하나의 수동 지지 구조체를 포함하는
    제조 방법.
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